宇宙周遭時空的扭曲

       科技版~超遜偵探~UOD之90~*揭秘～宇宙因何時空扭曲*

科技最新訊息：宇宙中物質的量多於反物質，根據一項最新研究結果，關於這一問題的答案或許和星系的自轉有關。

反物質是物質的奇特“同胞”，物理學認為任何一種物質的粒子都存在著品質相同但電荷相反的反粒子。當物質和反物質粒子相遇時就會發生所謂的“湮滅反應”，其品質完全轉化為能量，在一陣劇烈的爆炸中灰飛煙滅。

我們的宇宙完全是由物質組成的，這一事實本身讓科學家們困惑不已。宇宙在137億年前大爆炸中誕生時，應當會產生一樣多的物質和反物質粒子，它們應當早已相互湮滅，從而使宇宙中一片空寂，沒有任何物質也沒有任何反物質。他們不能理解為何物質竟然“倖存”了下來，也因此有了星系，地球和我們每一個人的存在。

關於我們為何竟然能存在的這一問題，物理學家們還沒有找到很好的解釋。但是現在一項最新的研究似乎能給我們指出一個可能的方向。

英國華威大學物理學家馬克·哈德利(Mark Hadley)計算了我們銀河系在自轉時對周遭時空的拖拽作用。根據愛因斯坦的廣義相對論，這樣一個品質巨大的天體自轉時的速度和角動量會造成其周遭時空的扭曲，稱為“慣性系拖曳效應”(frame-dragging)。

由於銀河系的巨大品質，其造成的時空扭曲效應相當於地球造成的同種效應強度的100萬倍。

這種效應導致的時空變化，尤其是時間膨脹(time dilation)，反過來又會影響粒子的衰變。由於它們不同的屬性，物質和反物質對於時間膨脹會做出不同的反應，也因此會形成不同的衰變速率。

物理學家們測量了這種物質和反物質之間存在的衰變速率不對稱，即“宇稱破壞”(charge-parity violation)。但是到目前為止還沒有人能回答就是是為什麼會出現這種不對稱。

“這種破壞已經被測量到，但是沒有被解釋。”哈德利說，“而此次的這項研究顯示我們在實驗室中觀察到的一系列結果可能是星系自轉擾動本地時空的結果。如果這一研究被證實，那麼這就意味著自然界本身便是不對稱的。”

不過哈德利也認為在基本層面上，物質和反物質是對稱的，只是它們對於由於星系自轉產生時空變化效應的反應不同。他表示，如果將宇宙作為一個整體來考察，應當會發現不同層面上的時空扭曲或拉伸將被抵消，而宇稱破壞將消失。

哈德利在《歐洲物理學通報》中寫道：“宇稱破壞被視作是宇宙中物質富餘的一個關鍵性解釋，但是目前觀察到的宇稱破壞還不足以解釋我們今天所觀察到的宇宙。”

他認為，應當用時空扭曲的觀點來解釋這種不對稱。或許宇宙早期形成的大尺度結構存在的自轉導致的巨大時空效應會引發強烈的不對稱，從而直接影響物質和反物質的分佈。

他還提出了一系列檢驗這一理論的建議：他建議其他科學家可以使用位於瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心(CERN)的“大型強子對撞機”(LHC)進行驗證，或者觀察美國加州斯坦福大學SLAC粒子物理實驗室的BaBar實驗結果資料。這項實驗是專門利用B 介子進行宇稱破壞情形下粒子衰變研究的。

他說：“這項研究結果是可驗證的，所有資料都已經存在於核子研究中心或斯坦福大學。”

據物理學家組織網站報導：根據現有的宇宙學觀測結果和理論，我們所能觀測到的“可見物質”僅僅佔據宇宙品質的很小一部分，佔據主導地位的是暗能量。而在這種神秘物質諸多讓人困惑的性質之中，有一條是它們的密度似乎是不隨時間改變的。這就意味著，即便宇宙隨時間推移不斷膨脹，暗能量將不會隨之被稀釋。這一點和普通物質存在重大的差異。

也就是說，隨著宇宙膨脹，暗能量似乎會從真空中“無中生有”般不斷被“創造”出來，填補宇宙膨脹後留下的空擋並維持暗能量總體密度的不變。因此很明顯可以看到隨著時間推移，暗能量將在宇宙中佔據更加主導的位置，而現在它已經佔據了全宇宙品質的73%。

對此的一種最簡單的解釋或許是認為暗能量其實是時空的一種固有屬性，因此當宇宙膨脹，時空增加，暗能量便同樣隨之產生出來，從而維持其密度不變。這還是可以接受的，因為我們必須認為暗能量這個名字是具有誤導性的，它並非是一種真正的“能量”，否則我們賴以為科學基石的熱力學三大定律就失效了。

有一種最簡單的理論來解釋宇宙呈現的均勻膨脹，那就是假設暗能量具有負壓力，這其實也是膨脹的固有屬性。

從實際觀測資料上來看，宇宙呈現明顯的平直性，這意味著暗能量的壓力和密度比約為1，或者更準確的說，是-1，因為這裏討論的是負壓力。這種關係被稱為暗能量的狀態方程。

對於宇宙的未來命運，一種簡單的解決方法就是假定暗能量的性質將保持不變，並且其壓力/密度比同樣保持-1的水準。

但是如果這個比值會出現變化呢？比如不再是-1了呢？如果出現這樣的變化，情況就會有很大的不同。

如果暗能量的密度隨時間降低，宇宙的膨脹速率將出現下降，如果其壓力/密度比達到-1/3，那麼宇宙的膨脹甚至會出現停滯。反過來，假如暗能量密度增長，隨之其壓力/密度比達到-1下方，如-2或-3，則會出現幽靈能量模型(phantom energy scenario)所描述的情形。不過這裏要指出的是，幽靈能量的概念目前僅僅存在於理論推算中，是一種假設。

但不管怎樣，我們就先假設隨著宇宙的膨脹，一切遵循幽靈能量模型進展，暗能量密度上升，那麼它就有可能使宇宙尺度在有限的時間內膨脹至無限大，物質連接物，原子和分子等基本粒子，甚至亞原子粒子都將被撕裂，出現所謂的“大撕裂”(Big Rip)。當暗能量的壓力/密度比達到-1.5，這種情形將在短短220億年內發生。

物理學家弗蘭普頓(Frampton)等人提出了一種與此不同的替代方案，稱為“小撕裂模型”(Little Rip scenario)。在這一模型中，他們假設這種壓力/密度比將隨著時間變動，物質的鏈結，基本粒子也同樣會被撕裂，但是其中的不同點在於他們限定這種比率的變動將不會導致宇宙尺度達到無限。

這一模型支援迴圈宇宙模型，因為它可以解決熵的問題。在傳統的大爆炸-大反沖迴圈宇宙模型中會面臨一個熵的悖論問題。因為隨著所有物質都在引力作用下相互結合，宇宙中將不再殘留自由能，那麼最後你在大反沖的最終階段僅僅能得到一個巨型黑洞而已，迴圈缺乏動力。

而“小撕裂模型”給了這一理論一條出路：既然所有的物質都被撕裂了，那麼它們還能再次聚合在一起，形成新的恒星和星系，循環往復。

英國華威大學的物理學家從星系旋轉的角度入手，建立了一個涵蓋整個星系時空模型，旨在解釋粒子物理學中的一個突出的難題：為什麼在宇宙誕生之初，物質和反物質可以共同存在於宇宙空間中。這個問題猶如一扇通往宇宙終極奧秘的大門，門的背後或許就隱藏著“上帝的秘密”。物理學家們設想了一個“純潔”的宇宙：這個構想出來的宇宙中，所有的物理定律在宇宙中任何一個地方都能適用，具有極強的普適性。宇宙中粒子和反粒子的行為也同樣按照相同的方式進行運動。

然而，近些年的粒子物理實驗中發現，在物質和反物質的衰變中，K介子和B介子表現出顯著的差異性。這就是被稱為“電荷宇稱不守恆”的一個證據，這個證據的發現對粒子物理學家而言，應該是個有些“尷尬”的現象，因為在弱相互作用下宇稱不守恆的觀點被提出後，物理學家由此推理出“電荷宇稱守恆“（CP守恆）的觀點，但是這個觀點不能解釋我們宇宙中物質為什麼會存在的問題。也就是說，理論上宇宙誕生後產生的是相同的物質和反物質，我們也知道物質和反物質相遇會湮滅，如果按此推演，就不會有當前宇宙中的一切了。

英國華威大學物理學系的Mark Hadley博士相信其找到了一種可經得起檢驗的關於電荷宇稱不守恆的證據，該證據不僅能保持宇稱的奇偶性，而且還能使得電荷宇稱不守恆的理論可以合理地解釋在宇宙誕生之後物質與反物質之間的問題。

Hadley博士的論文已經發表在EPL（歐洲物理學快報）上，主要介紹了對於CP破壞（CP對稱被破壞了）的一種源頭，這個源頭與克爾度量的不對稱有關。其同時也認為：研究人員忽視了一個重要的效應，即我們星系的旋轉對亞原子粒子的衰減會產生重大影響。

根據現在粒子物理學的觀點，我們的宇宙在根本意義上就是不對稱的，而且在弱相互作用中，有一個明顯的左和右的不對稱性，也有一個更小的CP對稱破壞存在於K介子系統中。以上觀點已經被體現在現有的粒子物理實驗中，但是沒有任何的解釋。其中的一個可能的原因就是：我們銀河系的自轉的效應造成了我們時空的扭曲，這種扭曲程度足以影響到對實驗結果的評定。而如果時空扭曲足以影響實驗結果，那麼可不可以在一定程度上認為我們的宇宙從根本上說是對稱的呢。對於這個較為“奇異”的預測，歐洲核子研究中心已經在收集相關的資料，以證明星系的自轉對結果的影響有多少。

對於星系自轉所產生的效應，這是一個較為容易被忽視的問題。因為我們一直以來都是處於地球和太陽的引力場中，這是最直接的感受，對於整個銀河系在某個方面對我們人類造成的影響還不是那麼顯著。而Hadley博士則認為整個星系產生的引力場將使得星系內部的時空產生扭曲，這種扭曲自然也包括太陽系在內，而這個時空扭曲效應的影響將是不容忽視的。如此巨大品質的星系自轉所具有的速度和角動量拖拽著星系內部的時空，造成時空的形狀的變形以及時間的膨脹效應。

而整個星系的旋轉對我們地球周圍的時空所產生的效應比地球本身的自轉要強100萬倍。當CP破壞在B介子衰變中被觀察到時，這是一個較為關鍵的現象，其有助於解釋在相同粒子物質與反物質的分裂基於不同的衰變率。但是，奇怪的是：即使研究人員觀察到衰變中出現的較大的差異，但把這些各個衰變率進行相加時，研究人員又能得到一個與在相同粒子中物質與反物質分裂條件下相同的值。

據Hadley博士介紹：我們銀河系的自轉對時空的“拖拽”效應理論可以解釋關於目前觀測的一切問題。在相同粒子物質與反物質分裂中，他們不僅可以在鏡像上對稱，在其他的結構上也將保持對稱。對於那些粒子衰變而言，這個觀點並不是完全不合理的，這個衰變的機制可能開始於“鏡像”時刻，然而，銀河系的自轉所產生的“拖拽”效應是顯著的，造成的時空扭曲足以引起每個粒子結構的不同，使其經歷不同的時間膨脹效應，而這正是衰變以不同方式進行的原因。

這就是說，在每個粒子進行衰變時，時空扭曲所造成的不同時間膨脹所帶來的整體效應必須被考慮，CP破壞的消失和對稱守恆也應該與此相關。這個理論的另一個亮點是其能被得到檢驗，其所預測的現象也能進行相關的測試。在歐洲核子研究中心，已經收集到了大規模的資料陣列，顯示出在衰變的過程中，CP破壞是存在的，同時還能檢驗出星系的自轉所產生的“拖拽”效應對其的影響。

目前，粒子物理學家正在考證類似銀河系這樣巨大的星系對實驗中所觀察到CP破壞有著多大的影響。同時，其也為那些理論家們提供打開了一扇大門：將CP破壞作為一個非常有用的工具以解釋在我們的宇宙誕生之初物質與反物質是如何進行分離的，如何形成我們現在所看到的物質宇宙。而事實上，由銀河系旋轉所產生的時空拖拽和時間膨脹效應對粒子實驗的影響將是不容忽視的。而在極早期的宇宙中，可能存在足夠的品質和旋轉以產生時空拖拽，這個效應對物質與反物質的分佈將產生顯著的影響。

1928年，當英國物理學家保羅·狄拉克在解一道有關微觀電子的方程時，得到了一個描述電子顆粒負狀態的結果，他把這種負粒子解釋為反物質，四年後，反物質在真實的實驗中出現。科學家一直在研究反物質世界，最新的研究發現，反物質世界的物質應該是方的，不管是原子、細胞、星球都是方形的，人的腦袋也是方的，這個反物質世界就是我們的世界的鏡像，每個圓腦袋的我們都在那個世界有一個方腦殼的我們，一旦相碰會引發大爆炸和世界毀滅。。。